基于紅外技術(shù)的簡易心率計的設(shè)計

雷文禮　袁君麗　任新成

摘 要：心腦血管疾病是人類健康的直接威脅者，簡單有效地監(jiān)測心率是降低人類心腦血管疾病發(fā)病率的迫切需求。文章基于紅外技術(shù)設(shè)計了一種簡易心率計，該心率計采用紅外對管發(fā)射和接收紅外信號，采集人體的心率信號，并經(jīng)過主控芯片對信號進(jìn)行處理，計算出人體的心率值。該心率計具有使用簡單方便，抗干擾能力強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，可為心腦血管疾病的預(yù)防和監(jiān)測提供有效手段。

關(guān)鍵詞：紅外；心率；采集；信號

中圖分類號：TP368.1；TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-02

0 引 言

現(xiàn)代社會中，人們對家人和自己的身體健康狀況尤為重視， 心腦血管疾病作為一種發(fā)病率高、致死率高的疾病直接威脅著人們的生命安全。目前，用于心腦血管疾病監(jiān)測的儀器儀表不斷涌現(xiàn)，但大多操作復(fù)雜，主要用于醫(yī)院環(huán)境。因此，人們迫切需要一種使用簡單方便，可用于家庭或社區(qū)環(huán)境的心腦血管疾病監(jiān)測設(shè)備。本文基于紅外技術(shù)設(shè)計了一種簡易心率計。該心率計采用紅外對管發(fā)射和接收紅外信號，采集人體的心率信號，并經(jīng)過主控芯片對信號進(jìn)行處理，計算出人體的心率值。該心率計具有使用簡單方便，抗干擾能力強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，可為心腦血管疾病的預(yù)防和監(jiān)測提供有效手段。

1 紅外技術(shù)

紅外技術(shù)是一種視距無線通信技術(shù)，具有非接觸式、抗干擾能力強(qiáng)、工作功耗低利、數(shù)據(jù)通信可靠等優(yōu)點(diǎn)。紅外光電式檢測方法測量心率，是利用光信號對血液流動的透射率或反射率不同，將光信號變換成電信號進(jìn)而進(jìn)行測量的方法。一般對光信號的采集有兩種方法，一種是對射式采集，即在對人體如手指測量時，在手指兩側(cè)各放一個光電二極管，一個用于發(fā)射信號，一個用于接收信號。當(dāng)通過手指的血流量變化時，光信號的透射率發(fā)生變化，光電接收管中的電流量也將發(fā)生變化，從而測量心率值；另一種是反射式采集，即用于發(fā)射信號和接收信號的光電二極管都朝向一端，利用血流變化時，光的反射率發(fā)生變化，從而利用光電管中的電流量的變化來測量心率值。本文選用第一種方法來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的信息處理工作流程如圖1所示。

圖1 信號檢測處理工作流程圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片選擇

心率計的主控芯片是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號的處理和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。考慮到成本、可靠性、簡易性等問題，這里選用AT89S52來作為主控芯片。AT89S52是一種8位、低功耗的微控制器，其自帶8 KB可編程Flash存儲器，32個可編程I/O口線，3個16位定時器，8個中斷源，具有全雙工UART串行通道，低功耗空閑和掉電模式，非常適合作為心率計的主控芯片。其芯片引腳如圖2所示

圖2 AT89S52引腳圖

2.2 信號采集電路

紅外線發(fā)射管在使用時，有850 nm、875 nm、940nm三個波段。各波段由于波長不同，適用環(huán)境也各有不同。850nm波段在安防監(jiān)控設(shè)備中使用較多，875 nm波段在紅外監(jiān)控中有較多應(yīng)用，940 nm波段主要用于家電設(shè)備紅外控制等。本文設(shè)計的心率計采用一對5 mm的紅外對管，另加外圍少量電子器件組成信號采集電路。信號采集電路如圖3所示。圖中D1與D3為紅外對管，負(fù)責(zé)紅外信號的發(fā)射與接收。電阻R7和電容C5構(gòu)成低通濾波電路，主要用于去除高頻干擾。

圖3 信號采集電路

2.3 顯示模塊

心率計的數(shù)值顯示選用液晶顯示模塊。這里經(jīng)比較，選用LCD1602液晶顯示模塊，LCD1602內(nèi)部存儲器已內(nèi)置了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，使用簡單方便，每次可顯示兩行，每行16個字符，可以滿足本設(shè)計的心率計顯示的需要，LCD1602與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

圖4 LCD1602與單片機(jī)接口電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先完成初始化程序，以初始化部分硬件芯片，確定中斷地址和程序入口。然后，液晶顯示屏顯示全零，表示沒有信號進(jìn)入；其次，程序定時100 ms，進(jìn)入等待中斷過程，并累加中斷次數(shù)；最后，根據(jù)n= K/t（n表示時間t 內(nèi)心率的平均值，K表示時間t內(nèi)連續(xù)的脈動次數(shù)）計算心率值，并在液晶顯示屏顯示數(shù)值。整個程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4 結(jié) 語

無線技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，使人們對疾病的監(jiān)測手段不斷更新和發(fā)展。本文基于紅外技術(shù)設(shè)計了一種簡易心率計，該心率計采用紅外對管發(fā)射和接收紅外信號，采集人體的心率信號，并經(jīng)過主控芯片對信號進(jìn)行處理，從而計算出人體的心率值。該心率計具有使用簡單方便，抗干擾能力強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，可為心腦血管疾病的預(yù)防和監(jiān)測提供有效手段。

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